【導(dǎo)讀】目前LED大多用直流驅(qū)動(dòng)，因此在市電與LED燈珠之間需要加一個(gè)電源適配器即LED驅(qū)動(dòng)電源。它的功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成適合LED的直流電。本文介紹了一種簡(jiǎn)易可靠的LED照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，同時(shí)詳解了內(nèi)部的各種電路保護(hù)設(shè)計(jì)。
一、驅(qū)動(dòng)電源
LED均采用直流驅(qū)動(dòng)，因此在市電與LED之間需要加一個(gè)電源適配器即LED驅(qū)動(dòng)電源。它的功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成適合LED的直流電。
LED驅(qū)動(dòng)電源按其驅(qū)動(dòng)方式可以分為恒流式和穩(wěn)壓式。恒流式驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流是恒定的，輸出的直流電壓隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高。對(duì)于穩(wěn)壓電源電路而言，其輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化。
由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件，當(dāng)LED正向?qū)〞r(shí)，其正向電壓的微小變化便可引起LED電流的巨大變化。對(duì)于穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)電源而言，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電流波動(dòng)較大，LED在大電流下工作較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)損壞。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)流經(jīng)LED的實(shí)際電流為其允許的最大電流的70%時(shí)，LED的發(fā)光效能為最佳。同時(shí)，由于發(fā)光二極管PN結(jié)的電壓溫度系數(shù)為-2mVP℃左右，當(dāng)LED散熱不良導(dǎo)致溫度升高時(shí)，其工作電流也會(huì)較初始階段有明顯變化，這也是市面上各種LED產(chǎn)品快速老化的主要原因。顯然，保證LED的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定對(duì)于LED的防老化顯得尤為重要。因此，恒流式驅(qū)動(dòng)電源是比較理想的LED驅(qū)動(dòng)方式。
通常驅(qū)動(dòng)LED均采用專用恒流源或者驅(qū)動(dòng)芯片，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時(shí)，最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。用它驅(qū)動(dòng)小功率LED具有不怕負(fù)載短路、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且一個(gè)電路能驅(qū)動(dòng)1~70個(gè)小功率LED.但是，這種電源電路啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，尤其是頻繁啟動(dòng)，會(huì)給LED造成破壞。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)便可避免這種沖擊。
電容降壓式電源的典型電路，C1為降壓電容器(采用金屬化聚丙烯電容),R1為C1提供放電回路。電容C1為整個(gè)電路提供恒定的工作電流。電容C2為電解電容，其耐壓值取決于所串聯(lián)的LED的個(gè)數(shù)(約為其總電壓的1.5倍以上),它的主要作用是抑制通電瞬間引起的電壓突變，從而降低電壓沖擊對(duì)LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻，其阻值應(yīng)隨著LED個(gè)數(shù)的增加適當(dāng)增加。
需要注意的是，必須根據(jù)負(fù)載的電流大小選取適當(dāng)?shù)碾娙荩皇且罁?jù)負(fù)載的電壓和功率，通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5I,其中C的容量單位是μF,Io的單位是A.限流電容必須采用無(wú)極性電容，而且電容的耐壓值須在630V以上。
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二、保護(hù)電路
由于電容降壓電源是一種非隔離式電源，在通電瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的電流，也就是所謂的浪涌電流。
此外，由于外界環(huán)境的影響如雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌信號(hào)，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。而LED抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較差，加強(qiáng)這方面的保護(hù)也非常重要，尤其是有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。本電路采用NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)來(lái)限制電流的突變，利用PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小使之趨于某個(gè)特定的變化范圍，同時(shí)在電源輸入端并有TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)以避免電壓過(guò)載。
2.1NTC保護(hù)
NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單有效的方法是在線路輸入端串聯(lián)一只NTC熱敏電阻，如下圖中的R2.由于在冷啟動(dòng)時(shí)，NTC熱敏電阻呈現(xiàn)高阻抗，因而使浪涌電流得到限制。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使NTC熱敏元件的溫度升高，NTC阻值急劇下降時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電流限制作用會(huì)較小。由于NTC熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會(huì)產(chǎn)生功率損耗，當(dāng)然，這種損耗是很小的。
2.2PTC保護(hù)
PTC(PositiveTemperatureCoefflCient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料。為使電路中的電流在正常工作下趨于穩(wěn)定，本電路還采用了PTC熱敏電阻，如圖1中的R3.電流通過(guò)PTC熱敏電阻后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能。
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PTC元件串接在電路中，正常情況下，呈低阻狀態(tài)，保證電路正常工作;當(dāng)電路發(fā)生短路或竄入異常大電流時(shí)，PTC元件的自熱使其阻抗增加把電流限制到足夠小，起到過(guò)電流保護(hù)作用。當(dāng)產(chǎn)生過(guò)電流的故障得到排除，PTC元件自動(dòng)復(fù)原到低阻狀態(tài)。
既避免了維護(hù)更換，也避免了可能引起電路損壞的持續(xù)循環(huán)的開(kāi)閉狀態(tài)。
2.3TVS保護(hù)
瞬態(tài)電壓抑制器(TransientVoltageSuppressor),簡(jiǎn)稱TVS,是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效保護(hù)器件，主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)壓保護(hù)。
當(dāng)TVS管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10~12秒量級(jí)的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)楹艿偷淖杩梗崭吣芰康睦擞浚瑢蓸O間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，保護(hù)電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。
對(duì)于過(guò)壓保護(hù)這一方面，本電路就是在電源輸入端并聯(lián)了TVS,如圖1中的D2,這樣可以將電壓維持在TVS最大承受范圍之內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)電壓高于TVS擊穿點(diǎn)的過(guò)壓的現(xiàn)象時(shí)，可以讓電流流經(jīng)TVS,藉此保護(hù)LED照明燈具。
三、結(jié)果論證
實(shí)驗(yàn)表明，將指針萬(wàn)用表串入電路后，在電路通電瞬間，指針突然偏轉(zhuǎn)大角度的現(xiàn)象得到明顯的改善，有效地防止了浪涌電流對(duì)LED的沖擊。同時(shí)，啟動(dòng)一段時(shí)間后，電流有所下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。用1W的金屬膜電阻或繞線電阻代替NTC也可達(dá)到要求，過(guò)壓保護(hù)選用TVS或者壓敏電阻均可。在線路板設(shè)計(jì)方面，需要注意的是，高壓輸入部分(即電源輸入端到整流橋部分)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離后面的負(fù)載電路，而且在允許的情況下，高壓輸入部分導(dǎo)線間的距離應(yīng)保證在1mm以上。基于這些方面的考慮，設(shè)計(jì)了如圖2所示LED照明燈具，此照明模塊已經(jīng)連續(xù)工作了4年左右，亮度未見(jiàn)有所衰減，而且未經(jīng)任何維護(hù)。此電路易于推廣、普及，可廣泛應(yīng)用于公共照明、走廊、倉(cāng)庫(kù)等，極具商業(yè)化前景。
